將氣候污染轉化為有用的物質一直是科學界的雄心壯志。近期，美國的研究人員在這方面邁出了重要一步，建造了一個完全人造的代謝系統，能將二氧化碳衍生的分子轉化為有價值的化學基材。來自西北大學和斯坦福大學的合成生物學家們開發了一個新系統，將一種簡單的液體分子——甲酸轉化為乙酰輔酶A，這是一種所有生命細胞都需要的中心代謝物。
作為概念驗證，該系統還被用來將乙酰輔酶A轉化為馬來酸，這是一種在食品、化妝品和可生物降解塑料中具有商業價值的化合物。這項研究的特點在於其代謝途徑在自然界中並不存在。研究人員不依賴於活體生物，而是建造了一個完全合成的無細胞系統，由經過工程改造的酶組成，能進行生物學上從未觀察到的反應。這一系統被稱為還原性甲酸途徑（ReForm），是合成生物學和碳回收方面的重要進展，並對碳中和燃料和可持續製造具有潛在的影響。
ReForm 完全在活細胞之外運作，這一設計使研究人員能夠繞過長期以來阻礙有效二氧化碳利用的生物限制。西北大學的 Ashty Karim 表示，二氧化碳的無節制釋放給人類帶來了許多緊迫的社會和經濟挑戰。他指出，如果想解決這一全球性挑戰，我們迫切需要新的碳負製造路徑。Karim 解釋道，雖然自然界已經進化出處理二氧化碳的途徑，但卻沒有一種能將甲酸轉化為乙酰輔酶A的途徑。受到自然的啟發，我們決定利用生物酶將來自二氧化碳的甲酸轉化為更有價值的材料。
要使 ReForm 能夠運作，研究團隊首先需要創造出能執行全新化學任務的酶。他們轉向無細胞合成生物學，這是一種提取細胞分子機制並在試管環境中運作的技術。斯坦福大學的 Michael Jewett 形容，這就像打開一輛汽車的引擎蓋並移除引擎，然後可以將這個“引擎”用於不同的目的，無需受限於汽車的約束。這一方法使研究人員能夠迅速篩選 66 種酶和超過 3,000 種酶變體，在幾週內識別出最佳表現者，而不是花費數月時間。
在最終設計中，五種經過工程改造的酶執行六個反應步驟，將甲酸轉化為乙酰輔酶A。團隊還展示了 ReForm 能接受其他一碳輸入，包括甲醛和甲醇。Jewett 表示，ReForm 能輕鬆利用各種碳源，這是首次展示能夠如此操作的合成代謝途徑架構。研究人員認為該平台可以進一步優化和調整，以構建其他合成途徑，融合化學和生物學，為碳高效製造提供新的工具，相關內容已在《Nature Chemical Engineering》中詳細闡述。
